Estudio comparativo de simulación de aumento de temperatura en la unidad principal del anillo

Resumen

Este artículo aborda el problema del aumento de temperatura de la unidad principal del anillo mediante el establecimiento de un modelo simplificado y la realización de un análisis comparativo en dos módulos de resolución de campo de temperatura.

Resumen

La unidad principal de anillo (RMU) es un dispositivo crítico en los sistemas de distribución de energía utilizados para conectar y distribuir electricidad. Sin embargo, debido a su estructura interna compacta y alta carga de corriente, los problemas de disipación de calor son particularmente prominentes. Para abordar este problema, este estudio propone de manera innovadora un modelo RMU simplificado, empleando métodos de simulación de elementos finitos para resolver con precisión las pérdidas óhmicas de los conductores en condiciones reales de operación y obtener datos de pérdida óhmica para varios componentes. Esta es la primera investigación en profundidad del problema del aumento de la temperatura de la RMU utilizando un enfoque tan integral. Posteriormente, el campo de temperatura se resolvió utilizando dos módulos diferentes de análisis de campo de temperatura, con una comparación y análisis detallados de los resultados de la simulación para identificar similitudes, diferencias y tendencias en la distribución de la temperatura. Los resultados indican que el modelo de solución de campo de temperatura, que considera la transferencia de calor convectiva, es más preciso y se alinea con las condiciones reales de operación. Esta investigación proporciona un enfoque innovador y soluciones prácticas para el diseño y la optimización de RMU. La investigación futura puede explorar más a fondo los métodos de análisis de acoplamiento multifísico para abordar el diseño estructural y los problemas de validación obligatoria para RMU de alto y ultra alto voltaje y otros equipos eléctricos, proporcionando así información importante para el diseño de ingeniería.

Introducción

La unidad principal de anillo es un grupo de aparamenta de alto voltaje montada en un gabinete de metal de acero o hecha de una unidad de fuente de alimentación de red de anillo espaciada ensamblada de equipo eléctrico. La estructura general del interruptor de carga y el circuito conductor consta del circuito conductor, que incluye una serie de componentes que comprenden el núcleo principal de la unidad de anillo. Sin embargo, debido a su estructura interna compacta, la unidad principal del anillo enfrenta desafíos en la disipación de calor. Esto puede provocar deformación térmica y envejecimiento cuando se opera durante períodos prolongados en entornos de alta temperatura. Estos problemas no solo afectan la vida útil de la unidad, sino que también afectan sus propiedades aislantes, lo que plantea riesgos de seguridad. En particular, los daños a los equipos y los accidentes eléctricos son cada vez más probables, lo que plantea importantes peligros para la seguridad.

Dentro de diferentes áreas de investigación, los académicos han realizado una serie de estudios sobre el aumento de temperatura de la aparamenta de líneas aéreas y han analizado varios factores que afectan la distribución de la temperatura¹. En Polykrati et ^al.2 se presenta un modelo matemático para la estimación del aumento de temperatura de los componentes instalados en la red de distribución durante una falla de cortocircuito. El modelo se aplicó a los interruptores de desconexión comunes de la red, y las características de los resultados se trazaron de acuerdo con las diferentes formas de la parte asimétrica de la forma de onda de la corriente de cortocircuito y el valor inicial del componente de corriente continua de cortocircuito. Guan et al., por otro lado, han tenido en cuenta la resistencia de contacto y la repulsión electromagnética mediante la construcción de un puente de contacto equivalente para simular la interfaz de contacto y han analizado más a fondo el campo de acoplamiento electromagnético-térmico y el experimento de aumento de temperatura³. Además, los investigadores investigaron el campo de temperatura y la distribución de la tensión térmica de los contactos dinámicos y estáticos dentro de la unidad principal del anillo mediante simulación de elementos finitos, lo que proporcionó una base para el estudio de la vida útil del interruptor^{automático 4}. Finalmente, Mueller et al. se han centrado en las características geométricas de los disipadores de calor y han evaluado los efectos de la selección del material, el área total de la superficie, la uniformidad de la temperatura y la temperatura máxima de la superficie sobre el rendimiento térmico⁵. Estos estudios proporcionan información y métodos valiosos para mejorar el rendimiento y la confiabilidad de la aparamenta, reducir el aumento de temperatura y prolongar la vida útil del equipo. Wang et al. propusieron un modelo de aprendizaje profundo MiNET (MDLM) en el entorno UPIOT con el propósito de detectar el diagnóstico de fallas en gabinetes de anillos eléctricos, el cual fue validado para tener una precisión de identificación del 99,1%, que es significativamente mayor que la de otros métodos⁶. Lei et al. estudiaron el rendimiento térmico de una barra colectora GIS en estado estacionario utilizando el método de análisis de acoplamiento magneto-fluido-térmico, optimizando así el diámetro del conductor y del tanque en función de los resultados de la simulación de aumento de temperatura⁷. Ouerdani et al. utilizaron el modelo de simulación de aumento de temperatura de la RMU para determinar el aumento de temperatura en ubicaciones críticas dentro de ella, fijando así la duración de la sobrecarga máxima para los componentes dentro de la RMU en consecuencia⁸. Zheng et al. describieron una barra colectora rectangular convencional en un modelo de aparamenta de alta corriente mediante la construcción de un modelo bidimensional y la aplicación del método de elementos finitos (FEM) para los cálculos del campo electromagnético. Les permitió obtener la distribución de la densidad de corriente del conductor del bus y la pérdida de potencia. Se diseñó una barra colectora irregular después de considerar los efectos del efecto de proximidad y el efecto de la piel. Este diseño de barra colectora irregular mejoró el rendimiento de la barra colectora rectangular^{convencional 9}.

En cuanto al aspecto del uso de la simulación icepak, Wang et al. llevaron a cabo una simulación de aumento de temperatura a través de las teorías de campo de vórtice, campo de flujo de aire y campo de temperatura y encontraron que el aumento de temperatura de la unidad principal del anillo era más grave bajo convección natural. Lograron reducir el nivel de aumento de temperatura mediante la adición de enfriamiento por aire forzado y la realización de mejoras en la estructura de contacto interno¹⁰. Zhu et ^al.11 utilizaron el icepak para simular un modelo térmico con el fin de comparar el efecto de la presencia de vías térmicas en la PCB y la presencia de disipadores de calor en la temperatura de los dispositivos de potencia. Finalmente, el análisis teórico se compara con los resultados de la simulación para verificar la exactitud del análisis teórico. Mao et ^al.12 estudiaron la temperatura y la distribución del flujo de aire interno en condiciones de operación estival mediante simulación térmica basada en el software CAE en la simulación icepak. Se presenta el problema de cómo mejorar la eficiencia de enfriamiento y controlar el aumento de temperatura de múltiples contactos plateados, y los contornos de temperatura y flujo de aire interno capturados en la simulación sentarán las bases para el diseño del esquema de enfriamiento para los seis contactos plateados montados en la unidad de sellado. Por el contrario, en el uso de un módulo térmico de estado estacionario, se discuten los métodos de modelado de Zhang¹³ para resolver la red térmica de un buje de alta presión utilizando un procedimiento transitorio alternativo. Los resultados de las pruebas y simulaciones concuerdan con el estado estacionario térmico y los estados transitorios del buje. Los resultados transitorios se utilizan para evaluar la capacidad de sobrecarga del buje. Vaimann et ^al.14 desarrollaron y analizaron un modelo térmico analítico de un motor de reluctancia síncrono para predecir la temperatura de sus diferentes componentes y el parámetro total establecido en la red térmica.

Con el avance continuo de la investigación sobre equipos eléctricos, como las unidades principales de anillo, las pruebas convencionales de aumento de temperatura y los métodos de producción son relativamente ineficientes. Por lo tanto, al utilizar la tecnología de elementos finitos combinada con pruebas fuera de línea, no solo se abordan los problemas de costos de diseño, sino que también se pueden realizar ajustes y optimizaciones rápidamente a los problemas del mundo real basados en simulaciones. Sobre la base de los avances de investigación mencionados anteriormente, rara vez se menciona el uso de ANSYS Icepak y el acoplamiento térmico de estado estacionario para el análisis comparativo. Por lo tanto, el protocolo describe la investigación del mecanismo de los elementos finitos, utiliza combinaciones numéricas y morfológicas para establecer un modelo de simulación de aumento de temperatura de elementos finitos para el recinto y discute el modelo de simulación de aumento de temperatura de elementos finitos basado en los resultados de los dos módulos analíticos comparando los resultados de los dos módulos de simulación. A través de la comparación entre los dos módulos de simulación, obtendremos las características de la tendencia de aumento de temperatura de la unidad principal del anillo y encontraremos el método más aplicable para proporcionar la base necesaria y las ideas de investigación para una estrategia para mitigar el aumento de temperatura de la unidad principal del anillo.

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Protocolo

1. Modelo

NOTA: Debido a la compleja estructura de la unidad principal del anillo (Figura 1A), se eligió un software de diseño en línea para simplificar el funcionamiento de la unidad principal del anillo.

1. Simplificación de la modelización
   1. Simplifique parcialmente el modelo, conservando la sección de la caja de aire de la RMU mientras elimina o simplifica otros componentes, como ejes aislantes, pernos de fijación, tuercas, componentes de sellado y soportes de soporte de presión. La versión simplificada se muestra en la (Figura 1B).
      1. En el proceso de simplificación de la unidad principal de anillo tipo 630A, retire el eje aislado que conecta la sala de disyuntores con la caja de instrumentos y muchos pernos y tuercas fijos. Saque las piezas de sellado y el soporte de retención de presión y conecte los contactos estáticos del haz estático aislado con la barra colectora de rama inferior bajo la premisa de garantizar que toda la configuración tenga la misma corriente conductora y solo se conserven el disyuntor de vacío, la placa de fijación del disyuntor y los contactos estáticos y el disyuntor de vacío.
      2. Conserve solo el disyuntor de vacío, la placa de fijación del disyuntor, el contacto estático y la placa de bloqueo del disyuntor de vacío. En general, retire los pernos y las juntas del modelo, llene los orificios después de quitar los pernos con sólidos, reduzca la cantidad de piezas de malla y optimice las formas irregulares de las piezas. Retire los instrumentos para el funcionamiento del panel, las placas de montaje, los soportes y otras piezas operativas, como las cajas de instrumentos, que no tengan ningún efecto en el proceso de simulación del aumento de temperatura.
      3. La eliminación de las carcasas aisladas de algunos componentes se puede ignorar en la simulación, ya que tienen poco efecto en los resultados de la simulación. Además, los interruptores de puesta a tierra que no tienen ningún efecto sobre el uso del equipo durante el funcionamiento normal los eliminan y conservan el espacio del disyuntor para la simulación.
   2. Para eliminar cualquier sección, simplemente selecciónela y haga clic en la opción Eliminar .

2. Solución de campo de remolinos

1. Ajustes de preprocesamiento
   NOTA: La emulación de campo de corrientes de Foucault es la base para realizar la solución de campo de temperatura, que requiere el análisis posterior de la fuente de calor resuelta como una carga en el campo de temperatura.
   1. Consulte la documentación del equipo de la unidad principal del anillo y los manuales correspondientes para recopilar información sobre las propiedades físicas y los parámetros de cada componente de la unidad principal del anillo. Establezca los atributos físicos y los parámetros de los componentes de la unidad principal del anillo en Maxwell en función de la información obtenida, como se detalla en la Tabla 1.
   2. Ajuste la corriente de carga de campo de corrientes de Foucault a 630 A con una frecuencia de 50 Hz. En el software Maxwell, seleccione un lado de los brazos de salida superior e inferior, ingrese al módulo de excitación y establezca la magnitud de corriente en 630 A. En la sección de configuración de la solución, elija una frecuencia de 50 Hz.
      NOTA: En el circuito conductor de una unidad principal en anillo, la vía formada por todos los componentes desde el brazo de salida superior hasta el brazo de salida inferior se conoce como secuencia de fase. Por lo tanto, en este documento, las fases A, B y C están dispuestas de izquierda a derecha.
   3. Los parámetros de material de los componentes de la unidad principal del anillo se muestran en la Tabla 2.
   4. Dirija la corriente a través de los brazos de la línea de salida, las conexiones flexibles, las barras colectoras, los disyuntores, las barras colectoras de soporte de contacto estático y las barras colectoras de derivación para cada fase. El objetivo es realizar una ruta de corriente que permita a los componentes completar la carga.
   5. Utilice el mallado adaptativo de Maxwell para completar el control de la cuadrícula del modelo. Utilice el método de partición de malla adaptable de Maxwell para componentes más grandes y el refinamiento de malla local para componentes internos más pequeños.
      NOTA: Maxwell puede mejorar continuamente la precisión de la cuadrícula durante el proceso de resolución, eliminando la necesidad de hacer clic en Operaciones de malla para particionar la malla adicional.
   6. Establezca el tamaño del paso de la solución. Haga clic en Análisis en el árbol del modelo, abra la configuración de Resolver paso y establezca el Número máximo de pasadas en 10. Mantenga otras configuraciones en sus valores predeterminados sin realizar ningún cambio.
2. Principio del cálculo del campo de corrientes de Foucault^15,16.
   1. Utilice la primera ecuación de Maxwell, que describe la acción de la carga en la generación de un campo eléctrico¹⁷.
      (1)
      donde ρ representa la densidad de carga; ε₀ representa la constante dieléctrica del vacío.
   2. Usa la segunda ecuación de Maxwell, que describe la relación entre un campo magnético cambiante y un campo eléctrico y el efecto de un campo magnético en el movimiento de una carga.
      (2)
      donde representa la intensidad del campo magnético. Esta ecuación describe que un campo magnético variable produce un campo eléctrico de vórtice, es decir, el espín del campo eléctrico del vórtice es igual al negativo de la tasa de cambio del campo magnético con el tiempo.
   3. Usa la tercera ecuación de Maxwell, que describe el efecto de la carga magnética en la producción de un campo magnético.
      (3)
      Esta ecuación describe el campo magnético producido por una carga magnética como pasivo, es decir, no hay monopolos en el campo magnético.
   4. Usa la cuarta ecuación de Maxwell, que describe la relación entre un campo eléctrico variable y un campo magnético y el efecto de una corriente eléctrica sobre un campo magnético.
      (4)
      donde representa la densidad de corriente y μ₀ representa la permeabilidad al vacío. Esta ecuación describe que un campo eléctrico variable produce un campo magnético de vórtice, es decir, el espín del campo magnético del vórtice es igual a la suma de la densidad de corriente y la tasa de cambio del campo eléctrico con el tiempo.
   5. Sobre la base de las ecuaciones anteriores, utilice el módulo solucionador de corrientes de Foucault Maxwell 3D para resolver la pérdida óhmica generada por el circuito conductor en la RMU, que proporciona una fuente de calor para el posterior análisis de simulación térmica. Su expresión matemática se da como¹⁸
      (5)
      donde σ denota la conductividad del material del bucle conductor; J es la densidad de corriente en el bucle.
3. Resultados del cálculo
   1. Haga clic en la opción Maxwell 3D en la interfaz y abra la verificación de validación para revisar todas las configuraciones en busca de errores. Si no hay errores, proceda a hacer clic en Analizar todo para iniciar el proceso de resolución.
   2. Utilice la calculadora de posprocesamiento de Maxwell para calcular y trazar las pérdidas óhmicas en el campo de corrientes de Foucault de la unidad principal del anillo, como se muestra en la Tabla 3.

3. Solución de campo de temperatura

NOTA: Para fines comparativos, divida el campo de temperatura en Icepak y térmico de estado estacionario. Configure y resuelva cada uno por separado para lograr un análisis comparativo.

1. Configuración del modelo Icepak
   1. Establezca las propiedades del material de la siguiente manera: designe todos los materiales sólidos del circuito como Cu-Puro, con superficies que usan Cu-superficie pulida. Para los componentes del panel, seleccione el material Aluminio6061-T6 , con un recubrimiento superficial de superficie Paint-AL con una emisividad de 0,35. Consulte la Tabla 4 para obtener más detalles. Haga clic con el botón derecho en el componente seleccionado, haga clic en Editar y, a continuación, vaya a Propiedades para establecer el material tanto para la superficie como para los materiales sólidos.
   2. Seleccione el modelo y haga clic en Establecer en el menú Editar, luego elija Nivel de malla multinivel para ajustar la configuración de la malla. Establezca el gabinete externo en un nivel de malla de 2 y todos los límites en un nivel de malla de 2. Para todos los demás componentes, establezca el nivel de malla en 3. Por último, abra el control Malla y haga clic en Generar para crear la malla.
   3. Para garantizar la precisión y la eficiencia de la simulación, independientemente del tamaño de la cuadrícula, es necesaria la validación de la independencia de la red. Importar el modelo geométrico del recinto de campo de temperatura, establecido utilizando el software de diseño para el mallado.
   4. Como se muestra en la Figura 2, las curvas de polarización de los cuatro conjuntos de cuadrículas están bien alineadas. A una tensión de trabajo de 0,5 V, las densidades de corriente para los cuatro conjuntos de redes son 2,357 A/cm², 2,358 A/cm², 2,356 A/cm² y 2,454 A/cm², respectivamente, con un error entre las densidades máxima y de corriente inferior al 1%. Para equilibrar la eficiencia y la precisión, determine el tamaño de la cuadrícula que se 987924.
2. Configuración de la solución
   1. Establezca las direcciones del dominio de solución Cabinet en Apertura.
   2. En el software, seleccione Paso del problema. En Parámetros básicos, verifique el Modelo de radiación de superficie a superficie, elija Ecuación cero para Régimen de flujo turbulento, seleccione la opción Gravedad para Convección natural y establezca la temperatura ambiente en 20 °C.
   3. En la configuración de archivo, elija Pérdidas de calor volumétricas para el mapeo EM y seleccione Todos los objetos mostrados para completar la configuración de pérdida.
3. Cálculo del campo de temperatura
   1. En icepak, aplique tres ecuaciones principales de conservación de energía: ecuación de conservación de masa, ecuación de conservación de momento y ecuación de conservación de energía. Específicamente, usa la ecuación de conservación del momento, que es la siguiente¹⁹:
      (6)
      Ecuación de conservación de energía:
      (7)
      Ecuaciones de conservación de masa:
      (8)
      Ecuación de transferencia de energía para la transferencia de calor desde una fuente de calor sólida:
      (9)
      ρ representa la densidad del fluido; v representa el vector velocidad del flujo; T representa la temperatura; p es la presión; τ es la fuerza viscosa sobre la superficie del micrometabolito; κ es el coeficiente de transferencia de calor; S_hes la fuente de calor corporal; h es la entalpía específica del fluido y F es la fuerza corporal del micrometabolito.
      NOTA: Los resultados de los cálculos del campo de temperatura se muestran en la Figura 3A y la Figura 4A.
4. Configuración del modelo térmico de estado estacionario
   1. Mantenga las propiedades del material según la Tabla 3 en la configuración del material. Genere las pérdidas óhmicas resultantes del análisis de campo de simulación de corrientes de Foucault en el módulo térmico de estado estacionario haciendo clic en Generación de carga térmica .
   2. Haga clic en el valor de temperatura convectiva y configúrelo en 20 °C, con un coeficiente convectivo de 5 (W/m²°C) aplicado a las paredes internas del gabinete, los componentes y el gabinete externo. Aplique la configuración y genere. Configure la salida para resolver la temperatura haciendo clic en Resolver > Resultados de salida.
      NOTA: El campo de temperatura principal que gobierna las ecuaciones en el cálculo del campo de temperatura térmica en estado estacionario 20,21,22 generalmente se deriva de la ley de conducción de calor (ley de conducción de calor de Fourier). En el caso unidimensional, la ecuación de transferencia de calor del campo de temperatura se puede expresar como²⁰:
      (10)
      En esta ecuación, T representa la temperatura dentro del objeto, t es el tiempo, x son las coordenadas espaciales y α es la difusividad térmica. Esta ecuación describe la variación de la temperatura con respecto al tiempo y el espacio, donde el lado derecho expresa la relación entre la tasa de conducción de calor y el gradiente de temperatura. En un escenario tridimensional más general, la ecuación de conducción de calor para el campo de temperatura se puede expresar de la siguiente forma:
      (11)
      ρ representa la densidad del objeto, c es la capacidad calorífica específica, K es la conductividad térmica y Q es el término de la fuente de calor dentro del volumen. Esta ecuación describe la variación del campo de temperatura, influenciada por la conducción de calor, las fuentes de calor y la capacitancia térmica.
   3. Los resultados del cálculo del campo de temperatura se muestran en la Figura 3. Compare los valores de temperatura resumidos en la Tabla 5 y la Tabla 6.

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Resultados

Sobre la base de los datos de la Tabla 3, se pueden extraer las siguientes conclusiones: Las pérdidas totales de las Fases A, B y C son relativamente similares. En concreto, las pérdidas totales de la Fase A son de 16,063 W/m³, las de la Fase B de 16,12 W/m³ y las de la Fase C de 19,57 W/m³. Las ubicaciones con mayores pérdidas pueden estar en las conexiones de varios componentes. Esto se debe principalmente a que la resistencia de contacto y la resistencia del con...

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Discusión

Este documento es un análisis de simulación comparativo del aumento de temperatura del gabinete de anillo basado en software de modelado de ingeniería y software de elementos finitos, y la solución más adecuada para la situación real de aumento de temperatura se analiza mediante dos módulos de solución de campo de temperatura de elementos finitos. La gestión térmica también se describe en Icoz²³ como un componente crítico y esencial para mantener la al...

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Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Air	/	/	Conventional gases
Aluminum	/	/	Alloy Materials
Copper	/	/	Alloy Materials
Icepak	ANSYS company	ANSYS 2021R1	A CFD thermal simulation software
PC hosting	/	12th Generation Intel(R) Core(TM) i5-13500F CPU	Host computer equipment
SolidWorks	Subsidiary of Dassault Systemes	SolidWorks2021	An engineering software drawing tool
Steady-state thermal	ANSYS company	ANSYS 2021R1	A thermal simulation solution tool